GB T 3353-1995 人造石英晶体使用指南.pdf

1、前言本标准等效采用 人造石英晶体规范及使用指南第 篇人造石英晶体使用指南人造石英晶体是晶体中极为重要的功能材料 它具有优良的压电性能和光学性能 广泛用于电子元器件和光学设备 年 月 发布了修改后的 人造石英晶体规范和使用指南第二版的内容有了较大的修改主要是评价人造石英晶体质量的方法由原来的 值改为直接用红外质量指标 值测量 包裹体密度的等级重新进行了划分 增加了腐蚀隧道密度要求对这三个重要技术参数规定了测量方法 鉴于以上重大修改 年对 人造石英晶体国家标准根据新的版本进行了修订 因此与之配套的本指南也做了相应修订本标准从生效之日起 同时代替本标准由中华人民共和国电子工业部提出本标准由电子工业部

2、标准化研究所归口本标准起草单位国营晨星无线电器材厂和电子部标准化研究所本标准主要起草人章怡经和贞谢贤振刘承钧前言国际电工委员会是由各国家电工委员会 国家委员会 组成的世界性的标准化组织的目的是促进电工电子领域中标准化问题的国际合作 为此目的 除其他活动外 发布国际标准 国际标准的制定由技术委员会承担 对所涉及内容关切的任何 国家委员会均可参加国际标准的制定工作 与 有联系的任何国际政府和非官方组织也可以参加国际标准的制定 与国际标准化组织 根据两组织间协商确定的条件保持密切合作关系在技术问题上的正式决议或协议是由对这些问题特别关切的国家委员会参加的技术委员会制定的对所涉及的问题尽可能地代表了国

3、际上的一致意见这些决议或协议以标准 技术报告或导则的形式发布 以推荐的形式供国际上使用并在此意义上为各国家委员会认可为了促进国际上的统一各 国家委员会有责任使其国家和地区标准尽可能采用 标准标准与相应国家或地区标准之间的任何差异均应在国家或地区标准中指明未制定使用认可标志的任何程序 当宣称某一产品符合相应的 标准时 概不负责国际标准 由 第 技术委员会 频率控制和选择用压电与介电器件 制定本标准第二版代替 年发布的第一版和 年发布的补充件本标准文本以下列文件为依据投票报告表决批准本标准的详细资料可在上表列出的表决报告中查阅附录 附录 和附录 仅作为参考中华人民共和国国家标准人造石英晶体使用指南

4、代替国家技术监督局 批准 实施范围本标准给出了使用人造石英晶体的指南本标准适用于指导对人造石英晶体进行最有效的利用 本标准不涉及人造石英晶体的所有特性引用标准下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文 本标准出版时所示版本均为有效 所有标准都会被修订 使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性人造石英晶体概述人造石英晶体人造石英晶体是用水热温差法生长的 在室温下高压容器高压釜 中填充部分碱性生长溶液如碳酸钠或氢氧化钠 籽晶放置于高压釜上部空间 碎块的石英培养体放置在高压釜底部然后密封加热 保持高压釜上部的温度低于底部的温度 因此培养体溶质由对流传递到籽晶上沉积下来晶体生

5、长的形状 大小及物理特性与籽晶取向 籽晶大小及生长条件有关 一个控制得很好的生长过程可以保证石英晶体形状及大小的一致性和质量的均匀性晶轴和晶面的名称图 表示具有全部天然晶面的石英晶体 这些晶面在人造石英中是不经常出现的 图 展示的是人造石英晶体这种晶体是在特定取向的籽晶上生长的 因此图 和 所显示的晶体外形是不相同的籽晶选择一些标准取向的籽晶 这样就可以经济地生长用于制造石英晶体元件的人造石英晶体用 切及小菱面切的籽晶生长的人造石英晶体主要用来加工厚度切变振动模的高频晶体片和面切变振动模的中频晶体片 用 切的籽晶生长的人造石英晶体 主要用来加工伸缩和弯曲振动模的低频晶体片在生长的人造石英晶体中

6、的籽晶表面上往往覆盖着一层很薄的由气泡和包裹体组成的薄罩晶体形状和大小原生长的人造石英晶体具有特定的生长面 图 表示的是生长在 轴向尺寸小的 切籽晶上的晶体的典型形状 如使用其他比例的 切籽晶或另外切型的籽晶 将生长另外形状的石英晶体人造石英晶体的大小由三个互相垂直的 或 或 尺寸来确定它们是沿 轴 或轴 或 轴的尺寸 如图 所示 尺寸的选择要考虑到 一方面使生长过程经济 另一方面使晶体片有很高的利用率 同时要注意 晶体尺寸是制造商和用户之间协商确定的由于原生长的石英晶体具有特定的生长面如在 轴或 轴的两端的 面或 面因而用来加工晶体片的有效尺寸比标称尺寸小些由于 面的表面不平整及可能不平行准

7、确测量最小的 尺寸实际上是很困难的要达到精密的尺寸公差也是很困难的 由于这些原因 对尺寸公差要求 当用户提出比厂家更高的需要时应当考虑采用经部分加工的石英原料 有时称为预制尺寸石英或称为石英棒材生长区域每一生长表面上溶质的沉积是连续的因此晶体质量基本是均匀的然而各个不同的区域沉积的方式是不同的 因而沿不同方向的生长有不同的区域 而这些区域有不同的性质 本标准中所提到的最通常的生长区中 区域晶体质量最好其次是大 区域 再其次是 区域所以建议厚度切变及面切变振动模的晶体片 应该完全或大部分从 区域截取并建议最后加工好晶体片的电极区只包含 区的晶体材料 小 区域的质量最差因此一般不能用来加工高频晶体

8、片图 及图 是从适当的生长区切取下来的 切型片和 切型片的典型例子鉴定人造石英晶体质量的方法人造石英晶体的结构缺陷和化学缺陷的程度与生长条件和所用的掺杂剂有关 尤其与会引起两个重要实际后果的生长速率有关 首先的后果是使晶体的 级别下降 即 值增大 其次使获得特定频率温度特性的切角不一致原来使用石英晶体元件的 值来说明晶体材料的质量 制造一个 次泛音标准晶体元件将保证使 值反映内部损耗但不反映装配损耗及不同制造商的加工工艺的微小差别 这种晶体元件尺寸较大有时不能从 区切取当消光系数 被用来表明晶体的 值时不久 值就几乎完全代替了直接的 值测量因为作为表明晶体特性的手段 值法具有它的能力及优点 它

9、即可以测量小生长区 也可以分辨生长带结构的细节 这些测试是非破坏性的 费用不大 并且很快当 小于 级 时 最佳切角的分散性很小并可与天然石英晶体的分散性相比 因此建议用这种晶体制造具有良好频率温度特性的高频晶体元件很好地控制生长过程就能保证一批产品的 值一致性 一批中的样品应包括一个沿 或 轴最大厚度的人造石英晶体 由于 值与生长速率成正比在该批中厚度最大的样品晶体的 值最大 因此用这种抽样方法的测试能满足大部分应用在 中规定的作为评价人造石英的另一种测量 是测试晶体元件的频率温度特性 对切角的规定是选择具有频率温度特性为线性斜率并敏感地随切角而变化的角度 对被测元件形状 大小的规定要适合于测

10、定准确的切角 但这种晶体元件的 值受加工和装配的影响大 所以不能用它来评价石英晶体的 值红外辐射吸收法晶体晶格中含有某些基团 在特定波数下能吸收红外辐射 人造石英晶体中最一般的杂质基团是带氢键的 它的数量可以用 之间一定波数的红外消光系数来测定的浓度与石英晶体中机械能的损耗有关 因此红外吸收与 值之间有一定的关系 图 是从各个测量点获得的典型校正曲线试验方法按 中红外吸收通常用于测定晶体结构的 区 在小 区的吸收与 区的吸收是不同的还应当注意由于所选择的条件不同所得到的红外消光系数也不同 这些条件是进入红外光束窗口的尺寸测试点与籽晶的相对位置偏振面测量环境的湿度和温度红外分光光度计偏压的不同人

11、造石英红外消光系数 的国际循环试验清楚地表明每个红外光度计的偏压不同 它可使用标准的 石英片校准检验人造石英晶体质量的其他方法人造石英晶体结构完整性的检验有许多方法但其与晶体元件电性能之间的定量关系目前尚未完全建立 上面介绍的红外吸收法是一个例外它可以用来评价晶体的 值外观检查石英晶体元件中应尽量避免有过多的包裹体化学腐蚀法化学腐蚀法广泛地用于检验天然石英的双晶 而这种方法对于人造石英是不需要的因为人造石英的双晶极少 这个方法可以用来揭示腐蚀坑及腐蚀隧道作为位错数量的量度射线形貌法射线或 射线辐射 可以用来观测晶体中杂质的总体分布 因为辐射发黑的程度与杂质浓度和生长区有关射线衍射图能对晶体的完

12、整性提供有用的数据 使用发散的 射线束在低 值晶体上产生清晰的劳埃图 的 射线形貌法对于检定晶体结构缺陷的分布是有用的然而应当注意 所有这些方法与石英晶体元件全部电性能之间还缺乏定量的关系人造石英晶体的级别级别晶体的 值分为六个级别 和 级可以用于最高质量的晶体元件 级主要适用于不但具有良好的温度特性而且具有低 值 高 值 的高频石英晶体元件 级和 级主要于低频石英晶体元件 对于低频元件来说首先要考虑的是使用廉价的大晶体在订货时的可选级别腐蚀隧道规定了五个级别 级和 级用于特殊的高质量晶体元件 如高基频或高频 器件或用于特殊工艺如化学腐蚀 级和 级适合于制造大部分技术用的晶体元件 级适于大部分

13、通用晶体元件包裹体规定了四个级别 及 级用于特殊要求的高质量光学用途 如 或用于光刻工艺级一般用于高频高质量体波或 谐振器 级用于大多数专业和工业用晶体元件铝含量低铝含量同样减少伴随铝的单价离子 主要为钠和锂 因此当需要抗辐射及防止频率变化时必须控制铝含量定货项目定货时应规定下列项目 应尽可能采用标准等级和标准值石英的类型 右旋或左旋籽晶的取向尺寸级别仅在有要求时附加的技术要求级别天然石英晶体人造石英晶体图 石英晶体轴和面的名称图 用小 尺寸 切籽晶生长的人造石英晶体当使用其他比例的 切籽晶或其他切型的籽晶时即生长其他形状的晶体右旋人造石英中 取向 切片的位置切片的位置人造石英晶体生长的 区切割的 切片和 切片的典型例子年代初人造石英红外吸收系数与 值有一条关系曲线最近重新校正的 关系式包括了使用无聚光器的现代分光光度计测量 能很好地逼近于旧的曲线上的 值如图所示 它对测量的 值加了 单位调整量并修正到相应的 值 虽然在 的调整量是小的但它对 的影响在高 低 值时表现得很明显图